반도체 기술로 그린수소 생산량 75배 껑충...K-촉매 신기술 뜬다

[2024 테크마켓]정연식 KAIST 신소재공학과 교수
'고효율·고내구성 수소생산 촉매 제조 기술' 공개

정연식 KAIST 신소재공학과 교수/사진=KAIST

"우리 기술을 통해 기존 촉매 사용량을 10분의 1 가까이 줄일 수 있어요. 수소 생산비도 그만큼 저렴해질 겁니다."

카이스트(KAIST·한국과학기술원) 신소재공학과 정연식 교수는 오는 16일 서울 코엑스A홀 컨퍼런스C에서 열리는 4대 과학기술원 공동 '2024 테크마켓'에서 소개할 신기술이 가져올 효과를 묻는 질문에 이같이 답했다.

정 교수는 대학 강단에 설 뿐만 아니라 현재 '인공광합성연구소'에 소속돼 기술 부문 테크니컬 디렉터로도 활동하고 있다. 인공광합성연구소는 저탄소 에너지 경제로 전환하기 위한 신재생에너지 R&D(연구개발)을 목적으로, 카이스트홀딩스(KAIST 기술지주회사)와 하나은행이 2022년 공동으로 설립했다. 하나은행이 100억원을 투자하고, 카이스트홀딩스가 내부 기술, 논문 등의 지식재산을 현물로 출자하는 형태로 운영한다. 이곳에서 정 교수는 차량 배기열을 에너지원으로 화학 합성하는 기술, 고효율 촉매 소재 등 탄소전환 기술을 중점 연구하고 있다.

그가 이번 테크마켓에서 공개할 기술은 '고효율·고내구성의 수소생산 촉매 제조 기술'이다. 정 교수에 따르면 그린수소 생산방식 중 하나인 수전해는 물을 전기 분해해 수소와 산소로 변환하는 원리다. 이때 수소 생산·활용에 가장 핵심적인 역할을 하는 것이 촉매다. 현재 백금과 유사한 특성을 가지는 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐 등이 촉매로 쓰이는 데 매우 고가인 데다 매장량도 한정돼 있다는 단점이 있다.

정 교수는 "현재 수소연료를 대중화하는데 가장 큰 과제는 생산비용 절감"이라고 진단하며 "수소연료가 충분한 경제성을 지니려면 촉매를 그만큼 적게 써야 한다"고 말했다. 이어 "미국 에너지부(DOE)에선 이리듐 사용량을 지금보다 30분의 1 수준으로 줄일 수 있는 기술 개발이 필요하다고 강조하고 있다"고 덧붙였다.

정 교수는 이를 위해 '고분자전해질(PEM) 수전해 고성능 막전극접합체 및 스택 기술 개발'이란 제목의 연구과제를 수행했다. 고순도 그린수소를 생산하기 위해 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용한다. 이때 사용하는 이리듐 촉매는 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율·고내구성을 달성할 수 있다. 그런데 수소는 전자를 방출하는 성격 때문에 양이온(H+)이 되기 쉬우며, 수소이온 농도가 높을수록 산성이 강해진다. 이 경우 촉매가 부식돼 제 기능을 하기 어렵다. 촉매가 전자를 잃어버리고 산화돼 수소 생산효율과 수명이 저하되는 것이다. 정 교수팀은 촉매 구조를 새롭게 디자인하는 방식으로 이 같은 문제를 풀었다.

정연식 교수팀은 안티모니(Sb)를 덧씌운 주석 산화물로 3차원 입체 구조를 가진 촉매 지지체를 만들었다/자료=KAIST

정 교수팀은 안티모니(Sb)를 덧씌운 주석 산화물로 3차원 입체 구조를 가진 촉매 지지체를 제작했다. 또 반도체 증착 기술을 적용해 지지체 표면엔 고농도 산소이온이 분포하도록 만들었다. 이 산소이온이 이리듐 촉매로 충분한 양의 전자를 계속 보충해줘 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지할 수 있다. 정 교수팀은 이를 PEMWE 장치에 적용, 기존 이리듐 사용량 대비 최대 75배 많은 수소를 생산해냈다.

정 교수는 "반도체 업계의 집적도를 높이기 위한 3차원 적층형 반도체 구조를 응용해 높은 효율을 달성한 것"이라며 "이 기술을 통해 기존 촉매 사용량을 10분의 1 가까이 줄일 수 있어 비용도 그만큼 낮출 수 있다"고 했다. 정 교수팀이 개발한 촉매 지지체는 3차원(D) 프린팅 기술을 통해 생산할 수 있다는 이점도 있다. 정 교수는 이번 테크마켓에서 "수전해 스택 모듈 등을 제조하거나 신재생에너지 관련한 소재 기술에 관심이 많은 기업들을 만나고 싶다"고 말했다.

한편, 2024 테크마켓은 머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'가 내달 16일 서울 삼성동 코엑스 A홀에서 개막하는 '그린비즈니스위크 2024(GBW 2024)'의 특별 부대행사로 마련했다. 과학기술정보통신부와 카이스트, 대구경북과학기술원(DGIST), 울산과학기술원(UNIST), 광주과학기술원(GIST) 등 4대 과기원이 공동으로 개최하는 이번 행사는 우수 R&D(연구개발) 성과를 국내 대·중견·중소기업, 스타트업에 소개·이전해 기존 제품·서비스를 고도화하고 글로벌 경쟁력을 강화할 것으로 보인다.

특히 이번 행사는 기존 과기원별 단독 설명회와 달리 과기원 4곳이 한데 모여 준비하는 통합형으로 치뤄지는 데다 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 AI(인공지능) 기반 공공 R&D 기술사업화 유망성 탐색 플랫폼 '아폴로'(Apollo)를 통해 선정된 기술과 궁합이 맞는 기업을 매칭, 기술이전 및 사업화 성공률을 더 높였다는 점에서 주목을 받는다. 아폴로는 기업들이 필요로 하는 기술이 무엇인지 진성 수요를 파악하고, 선정된 기술에 관심을 가질만한 수요기업을 예측해 알려준다. 또 해당 기술로 개발한 제품·서비스 관련 시장 규모와 경쟁사 분석 정보도 제공한다.

행사장엔 4대 과기원 공동상담부스가 설치돼 핵심기술 8건에 대한 일대일 현장상담이 이뤄질 예정이다. 뿐만 아니라 바이오, 이차전지, 디스플레이 등 국가 12대 전략기술과 탄소 중립 관련 기술에 관심있는 기업들에 대한 R&D 사업 자문도 지원한다.

[머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리']